锅炉原理第三章热平衡

1kg燃料燃烧所需的理论空气量V0
● 理论空气量：
V0 =
考虑空气中氧的 容积成分为21%计算
= 0.0889 Car + 0.375Sar + 0.265H ar - 0.0333Oar O = 0.0889R ar + 0.265 H ar - ar , m 3 / kg 100
● 求理论空气量的一般过程：
1kg收到基燃料中C、H、S的量（前已讲述）
C、H、S完全燃烧所需的O2量
Car H ar Sar 3 1.866 + 5.56 + 0.7 m 100 100 100
1kg燃料完全燃烧真正需要空气提供的O2量
1.866
Car H S O + 5.56 ar + 0.7 ar - 0.7 ar , m3 100 100 100 100
第一节
1. 碳的燃烧：
燃烧过程的化学反应
● 煤的可燃燃烧成分：碳（C）、氢（H）、硫（S）。
● 完全燃烧
（反应方程式）：
C+O2→CO2 12.1kgC+22.41m3O2→22.41m3CO2 1kgC+1.866m3O2→1.866m3CO2
1kg收到基燃料中含有Car/100Kg,因而1Kg燃料中C完全 燃烧时需要1.866Car/100m3
3）随同理论空气量V 0带入的水蒸气，其体积为
22.4 d k × ×ρV 0 18 1000
dk为1kg干空气带入的水蒸气的量，ρ为干空气的密度
1.293kg/m3
22.4 d k × ×ρV 0 1.61d k 18 1000
4 ）、蒸汽雾化燃油带入 的水蒸汽体积： 22.4 Gwh 1.24Gwh 18 其中Gwh 雾化燃油时消耗的蒸汽 量，Kg / Kg。
0 y
二、完全燃烧时的实际烟气量
实际烟气的组成成分为：
CO2、SO2、N2、O2、H2O
其相应的体积分别记为：
VCO2、VSO2、VN2、VO2、ＶＨ２Ｏ
其中：
( 1)V 0 过量空气：
从成分上看比理论 烟气量多了一项自 由氧O2。从烟气的 总量上看，多了过 量空气 ，以及随其 带入的水蒸气 。
三、漏风系数和空气平衡
对于负压运行的锅炉，外界冷空气会通过锅炉的 不严密处漏入炉膛以及其后的烟道中，致使烟气中 的过量空气增加。
相对于1kg燃料而言，漏入的空气量ΔV与理论 空气量V0之比称为漏风系数， 以Δ表示， 即：
V 0 V
● 烟道内的过量空气系数：
漏风使烟道内的过量空气系数沿烟气流程是 逐渐增大的。 从炉膛出口开始，烟道内任意截面处的过量 空气系数为：
1'' 太大，增加排烟热损失； 1'' 太小，不能保证完全燃烧。
显然，1kg燃料完全燃烧时需要的实际空气量Vk为：
Vk = αV 0 , m3 / kg
过量空气量ΔVg等于：
ΔVg = Vk－V 0 = V 0 (α－ 1),m3 / kg
对于固态排渣煤粉炉： 当燃用无烟煤、贫煤和劣质烟煤时约为1.20 ～ 1.25， 当燃用烟煤和褐煤时约为 1.15～1.20。
● 不完全燃烧： （反应方程式）
2C+O2→2CO 即 ：1kgC+0.5×1.866m3O2→1.866m3CO 也即：每1kg的C不完全燃烧需要0.5×1.866m3的 O2并产生1.866m3的CO。 2. 氢的燃烧: （反应方程式） 2H2+O2→2H2O 即 ：1kgH2+5.56m3O2→11.1m3H2O 也即：每1kg的H燃烧需要5.56m3的O2并产生 11.1m3的H2O。
3、硫的燃烧： S+O2→SO2
（反应方程式）
即 ：1kgS+0.7m3O2→0.7m3SO2 也即： 每1kg的S燃烧需要0.7m3的O2并产 生 0.7m3的SO2。
第二节 燃烧所需要的空气量
一、理论空气量 ● 概念： 1kg（或1m3）燃料完全燃烧而又无过剩 氧存在时所需的空气量称为理论空气量，其 代表符号为V0。
● 目的
燃料燃烧计算主要是计算燃料燃烧所需 空气量、燃烧生成的烟气量和烟气的热焓等。
● 在计算时假定：
1）空气和烟气的所有组成成分，包括水蒸 气都是理想气体，因此，每一千摩尔气体在标 准状态下的容积是22.41m3； 2）所有空气和其它气体容积的计算单位都 是m3，即以0℃一标准大气压（0.1013MPa）状 态下的立方米为单位。
0.21 ( 1)V 0 的氧 0.79 ( 1)V 0 的氮
水蒸汽 0.0161 （ - 1 ）V 0
2、 完全燃烧时实际烟气量的计算
完全燃烧时烟气中的 各成分均假设为理想 气体，
Vy VCO2 VSO2 VN VO VH O , m3 / kg
2 2 2
完全燃烧时烟气体积：
0 3 — 标准状态下理论 体积， m ／kg； N VN 2 2 0 3 — 标准状态下理论水蒸气体积， m ／kg。 VH 2O
2．理论烟气量的计算 理论烟气量： Vy0 = VCO2 +VSO2 +VN0 +VH0 O , m3 / kg
2 2
VRO2 VCO2 VSO2
Vy0 VRO2 VN0 VH0 O , m3 / kg
● 理论水蒸汽量：
V
0 H 2O
H ar M ar 11.1 1.24 0.0161V 0 1.24Wwh , Nm 3 / Kg 100 100
● 理论烟气量：
C ar S ar N ar V 1.866 0.7 0.8 0.79V 0 100 100 100 H ar M ar 11.1 1.24 0.0161V 0 1.24Wwh , Nm 3 / Kg 100 100
α = α + ΣΔα
式中∑△α—炉膛出口与计算烟道截面间， 各段烟道漏风系数的总和。
" ι
● 空气预热器中的过量空气系数：
空气预热器中，空气侧压力比烟气侧高，所以 会有部分空气漏入烟气侧，该级的漏风系数△ky 要高些。在空气预热器中：
ky ky ky
式中：β′ky 、β″ky分别为空气预热器进口和出口 的过量空气系数。
考虑到炉膛及制粉系统的漏风， β″ky与α″1 之间关系为：
1 1 zf ky
式中 Δαl ——炉膛漏风系数 Δαzf ——制粉系统漏风系统
例：某锅炉尾部受热面采用双级布置如图示，负压制粉 系统。假定Ⅰ、Ⅱ级空气预热器、炉膛和制粉系统的漏 、 kyⅡ、 l、 zf 以及炉膛出口过量 风系数 kyⅠ '' 空气系数 α1 均已知。试写出第Ⅰ级空气预热器入口 ' 处的过量空气系数 kyⅠ＝？ 。
（ 3 ）理论水蒸气体积（ V
0
H2O
）
燃料中的氢完全燃烧生成的水蒸气体积：
● 四部分组成：
燃料中的水汽化生成的水蒸气体积：
理论空气量带入的水蒸气体积： 采用蒸汽雾化等设备带入的水蒸气体积：
1）燃料中的氢完全燃烧产生的水蒸汽
H ar 11.1 100
2）燃料中的水分蒸发形成的水蒸汽
M ar 22.4 M ar 1.24 18 100 100
二、实际空气量和过量空气系数
在锅炉的实际运行中，为使燃料燃尽，实际供给 的空气量总是要大于理论空气量，超过的部分称为过 量空气量。实际空气量Vk与理论空V0之比，即
Vk = α (或β ) 0 V
称为过量空气系数（用于烟气量计算， 用于空 气量计算）。
炉内过量空气系数α，一般是指炉膛出口处 的过量空气系数 1'' 。
1、 理论烟气的组成成分
● 理论烟气的组成成分为： CO2、SO2、N2、H2O 其相应的体积分别记为： 各组成成分体 积均可根据燃 烧反应求出
V CO 、V SO 、V 、Ｖ
2 2
0 N2
0 ＨＯ ２
VCO2 —标准状态下 CO2 的体积，m3/kg； VSO2 —标准状态下 SO2 的体积，m3／kg；
第三章
燃料燃烧计算和锅炉机组热平衡
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 第九节 燃烧过程的化学反应 燃烧所需要的空气量 燃烧产生的烟气量 烟气分析 燃烧方程式 运行中过量空气系数的确定 空气和烟气的焓 锅炉机组的热平衡 锅炉机组热平衡试验
●概念
燃料的燃烧是指燃料中的可燃元素与氧 气在高温条件下进行的强烈化学反应过程。 当烟气中不含可燃物质时称为完全燃烧，否 则称为不完全燃烧。
2 2
Vgy VRO2 V N
0 0
理论干烟气量
2
V =V +VH O , m / kg
2
0 y
0 gy
0
3
（1）二氧化碳和二氧化硫的体积VCO2 、VSO2
根据C、S的燃 烧反应可求出：
VCO2
Car = 1.866 , m3 / kg 100
VSO2
Sar 3 = 0.7 ,m / kg 100
解： kyⅠ kyⅡ
' ''
kyⅠ kyⅡ
l l zf
ky Ⅰ kyⅡ
第三节 燃烧产生的烟气量
一、理论烟气容积
标准状态下，l kg固体及液体燃料在理论空气量下完全 燃烧时所产生的燃烧产物的体积称为固体及液体燃料的 理论烟气量，即，当α=1且完全燃烧时，生成的烟气容 积称为理论烟气容积。用符号Vy0表示，
3．不完全燃烧时烟气中氧的体积
不完全燃烧时，烟气中氧的体积等于过量空 气中氧的体积与不完全燃烧少消耗的氧的体积之 和，即：
VO2 = 0.21(α -1)V + 0.5 1.866
0
Car,co2 100
Vco = 1.866
0
Car,co2 100
VO2 = 0.21(α -1)V +0.5VCO ,m / kg
VRO2 VCO2 VSO2
Vy VRO2 VN VO VH O , m3 / kg
2 2 2
Vgy VRO2 V N V O
2
2
Vy Vgy VH O , m / kg
3
2
根据前面所讲述的内容总结出实际烟 气中各组成部分的体积表达式：
● 实际烟气量：
Vy Vy0 1V 0 1.61d 1V 0 , m3 / kg
这两部分碳燃烧生成的CO和CO2的体积VCO、VCO2为:
VCO = 1.866 Car,CO 100 Car,CO2 100 , m / kg , m3 / kg
3
100
kg 燃烧生成CO
VCO2 = 1.866
VCO2 + VCO
Car 3 = 1.866 , m / kg 100
可见，如果不 完全燃烧产物 只有 CO ，那么 不论燃烧是否 完全，烟气中 碳的燃烧产物 的总容积是不 变的。
Vy = VCO2 +VCO +VSO2 +VN +VO +VH O , m / kg
2 2 2
3
其中： VSO 、V
2
需要重新计算
N2
、VH O与完全燃烧时完全相同 ，
VCO2、VCO、VO 的量。
2
2ຫໍສະໝຸດ Baidu
2、二氧化碳与一氧化碳的体积
C ar kg 1kg燃料中含碳 100
C ar,CO2 100 C ar,CO kg 燃烧生成CO 2
Car H ar Sar O ar 1 1.866 + 5.56 + 0.7 0.7 0.21 100 100 100 100
※ 上式有三点说明： 1）V0是不含水蒸汽的干空气(锅炉计算中认为空气中只有氧 气和氮气)；
2）V0只决定于燃料的成分，当燃料一定时V0即为一常数；
3）碳和硫的完全燃烧反应可写成通式 R+O2→RO2， 其中 Rar=Car+0.375Sar。
Vgy VRO2 V N V O
2
2
0 Vgy Vgy ( 1)V 0 , m3 / kg
三、不完全燃烧时的烟气量
● 1、不完全燃烧烟气的成分：
CO2、SO2、N2、O2、H2、CO、CmHn 其中 H2、CmHn 数量很少一般在工程计算可以 忽略。因此燃料不完全燃烧时的烟气量：
VRO2 VCO2 VSO2
Car Sar 1.866 0.7 100 100
Rar 1.866 , m3 / kg 100
（2）理论氮气体积（V
0
N2
）
由两部分组成： 燃料中的氮所占体积 理论空气量中的氮所占的体积
0 N2
V
22.4 N ar = + 0.79V 0 28 100 N ar = 0.8 + 0.79V 0 , m3 / kg 100